Desenvolvimento de nanocompósitos de matriz biodegradável de PBAT incorporados com TiO2 nanoparticulado e avaliação de suas propriedades para aplicação em embalagens de alimentos

Authors

  • Camila Spinola Gonçalves Ferreira
  • Priscila da Silva e Souza
  • João Gabriel Passos Rodrigues
  • Emerson Oliveira da Silva
  • Maria Inês Bruno Tavares
  • Gisele Cristina Valle Iulianelli

DOI:

https://doi.org/10.55905/oelv22n1-165

Keywords:

PBAT, nanopartículas de TiO2, nanocompósitos, polímero biodegradável, embalagem para alimentos

Abstract

Com o objetivo de preservar a qualidade dos alimentos, aumentar sua vida útil e  mitigar os danos ambientais gerados pelo descarte indevido da embalagens, a utilização de polímeros biodegradáveis para a indústria de embalagem de alimentos tornou-se um tema de grande interesse atual. No presente estudo, nanocompósitos de matriz biodegradável de PBAT contendo diferentes teores de nanopartículas de TiO2 (0,25; 0,5; 0,75; e 1,0 % m/m) foram preparados por extrusão e caracterizados  por técnicas convencionais como FEG-SEM, XRD, DSC e ensaio mecânico sob tração, e também por técnicas inovadoras como TD-NMR e avaliação da atividade de água. Os principais resultados mostraram um aumento no valor de temperatura de cristalização para todas as formulações, indicando uma mudança no perfil cristalino dos filmes nanocompósitos comparados ao PBAT puro. Adicionalmente, foi visto por FEG-SEM que os sistemas produzidos apresentaram uma dispersão uniforme de nanopartículas na matriz do PBAT e que a incorporação do TiO2 promoveu um aumento no módulo elástico do PBAT. Finalmente por TD-NMR foi possível uma avaliação mais detalhada dos sistemas, mostrando que sistema PBAT/TiO2 contendo 0,75 % m/m apresentou uma maior heterogeneidade a nível molecular e a análise de atividade de água mostrou que a adição de TiO2 promoveu um incremento nos níveis de biossegurança do PBAT, tornando os nanocompósitos PBAT/TiO2 mais promissores para aplicação em embalagens de alimentos.

References

ALBITRES, G. ; ARAUJO JUNIOR, F. ; FREITAS, D. ; MARIANO, D. ; TAVARES, M. ; MENDES, L. (2022) Nanocellulose: Effect on Thermal, Structural, Molecular Mobility and Rheological Characteristics of Poly(Butylenes Adipate-Co-Butylene Terephthalate) Nanocomposites. Materials Sciences and Applications, 13, 249-277. doi: 10.4236/msa.2022.134014.

ARSSANASUWAN, N.; THREEPOPNATKUL, P.; SITTATTRAKUL, A. Effect of titanium dioxide on the properties of poly(butylene adipate-co-terephthalate) films. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering and Industrial Technology (ICEIT 2020) 11-13 Sep 2020, Pattaya, Thailand. 965 012016. DOI 10.1088/1757-899X/965/1/012016.

BEUCHAT, L. R. Microbial stability as affected by water activity. Cereal Foods World (USA), v. 26, n. 7, p. 345–349, 1982.

BHEEMANENI, G.; SARAVANA, S.; KANDASWAMY, R. Processing and characterization of poly (butylene adipate-co-terephthalate) / wollastonite biocomposites for medical applications. Materials Today: Proceedings 5(1, Part 1), 1807–1816 (2018). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.11.279. International Conference on Processing of Materials, Minerals and Energy (July 29th – 30th) 2016, Ongole, Andhra Pradesh, India.

CAPELEZZO, A.P.; MOHR, L.C.; DALCANTON, F.; BARRETA, C.R.D.M.; MARTINS, M.A.P.M., FIORI, M.A., MELLO, J.M.M.D.: Polímero biodegradável antimicrobiano através da aditivação com compostos `à base de zinco. Química Nova 41(Quím. Nova, 2018 41(4)) (2018). https://doi.org/10. 21577/0100-4042.20170187.

CASAGRANDE, C. A.; JOCHEM, L. F.; REPETTE, W. L.; HOTZA, D. (2020). Evaluation of nano-TiO2 on properties of cementitious mortars. Matéria (Rio De Janeiro), 25(4), e–12883. https://doi.org/10.1590/S1517-707620200004.1183.

CASTRO, D.P.D.; GARCIA, R.H.L.; SILVA, L.G.D.A.E. Characterization using x-ray diffraction and study of the crystallinity of the thermoplastic starch/poly(butylene adipate-co-terephthalate) blends irradiated by gamma rays / caracterização por DRX e estudo de cristalinidade de blendas de amido termoplástico/poli (butileno adipato-co-tereftalato) irradiadas por raios gama. Brazilian Journal of Development 6(3), 9635–9643 (2020). https://doi.org/10.34117/bjdv6n3-005.

CHAROENSRI, K.; RODWIHOK, C.; KO, S.H.; WONGRATANAPHISAN, D.; PARK H.J. Enhanced antimicrobial and physical properties of poly (butylene adipate‐co‐terephthalate)/zinc oxide/reduced graphene oxide ternary nanocomposite films. (2021). Materials Today Communications, 28, art. no. 102586. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102586.

COBO, F. N., SANTANA, H. D. E., CARVALHO, G. M. D. E.; YAMASHITA, F. Estudo da miscibilidade de blendas de poli (ácido lático)/ poli (butileno adipato-co-tereftalato) preparadas pelo método de evaporação de solvente. Matéria (Rio De Janeiro), 26(2), e12976. (2021). Doi: https://doi.org/10.1590/S1517-707620210002.1276.

DA SILVA, C.G.; KANO, F.S.; ROSA, D.S. Lignocellulosic Nanofiber from Eucalyptus Waste by a Green Process and Their Influence in Bionanocomposites. Waste Biomass Valor 11, 3761–3774 (2020). https://doi.org/10.1007/s12649-019-00610-3.

DA SILVA, N.M.C.; CORREIA, P.R.C.; DRUZIAN, J.I. ; FIALHO, R.L.; ALBUQUERQUE, E. Propriedades Mecânicas de Filmes de Poli (Butileno Adipato Co Tereftalato) e Amido Reforçados com Nanopartículas de Amido. Anais Do Congresso Brasileiro De Engenharia Química, 2016, Campinas, Galoá, 2016. Disponível Em: <https://proceedings.science/cobeq/cobeq-2016/papers/propriedades-mecanicas-de-filmes-de-poli-butileno-adipato-co-tereftalato-e-amido?lang=pt-br>.

DA ROCHA, L. V. M.; DA SILVA, P. S. R. C.; TAVARES, M. I. B. Comparative Study Of Poly (Butylene Adipate Co-Terephthalate) Nanocomposites With Zinc And Molybdenum Oxides. Seven Editora, [S. l.], p. 218–224, 2023. Disponível em: http://sevenpublicacoes.com.br/index.php/editora/article/view/322. Acesso em: 22 jun. 2023.

FARIAS, E.A.; DIONISIO, N.A.; QUELEMES, P.V.; LEAL, S.H.; MATOS, J.M.; SILVA FILHO, E.C.; BECHTOLD, I.H.; LEITE, J.R.; EIRAS, C. Development and characterization of multilayer films of polyaniline, titanium dioxide and CTAB for potential antimicrobial applications. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2014 Feb 1;35:449-54. doi: 10.1016/j.msec.2013.11.002. Epub 2013 Nov 14. PMID: 24411400.

FERREIRA, F.V.; CIVIDANES, L.S.; GOUVEIA, R.F.; LONA, L.M.F. An overview on properties and applications of poly(butylene adipate-co-terephthalate)–PBAT based composites. Polym Eng Sci, (2019), 59: E7-E15. https://doi.org/10.1002/pen.24770.

HAIDER, A.J.; AL–ANBARI, R.H.; KADHIM, G.R.; SALAME, C.T. Exploring potential Environmental applications of TiO2 Nanoparticles, Energy Procedia, Volume 119, 2017, Pages 332-345, ISSN 1876-6102, https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.07.117.

HUTAPEA, S.; GHAZI AL-SHAWI, S.; CHEN, T.-C.; YOU, X.; BOKOV, D.; ABDELBASSET, W. K.; SUKSATAN, W. Study on food preservation materials based on nano-particle reagents. Food Science and Technology, (2022). 42, e39721. https://doi.org/10.1590/fst.39721.

JAYBHAYE, S.; SHINDE, N.; JAYBHAYE, S.; NARAYAN, H. Photocatalytic Degradation of Organic Dyes Using Titanium Dioxide (TiO2 ) and Mg-TiO2 Nanoparticles. J Nanotechnol Nanomaterials. 2022;3(2):67-76. DOI: https://doi.org/10.33696/Nanotechnol.3.032.

JIAN, J.; XIANGBIN, XIANBO, H. An overview on synthesis, properties and applications of poly(butylene-adipate-co-terephthalate)–PBAT, Advanced Industrial and Engineering Polymer Research, Volume 3, Issue 1, 2020, Pages 19-26, ISSN 2542-5048, https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2020.01.001.

JUNGES, A.; DENTI, A. F.; BERNARDI, J. L.; POLINA, C. C.; MEREGALLI, M. M.; VANZ, J. B.; MIGNONI, M. L. Application of nanotechnology in food engineering: a review. Research, Society and Development, [S. l.], v. 11, n. 2, p. e3611225389, 2022. DOI: 10.33448/rsd-v11i2.25389.

KODITHUWAKKU, P.; JAYASUNDARA, D.; MUNAWEERA, I.; JAYASINGHE, R.; THORADENIYA, T.; WEERASEKERA, M.; KOTTEGODA, N. A review on recent developments in structural modification of TiO2 for food packaging applications. Prog. Solid State Chem. 2022, 67, 1–24. DOI: 10.1016/j.progsolidstchem.2022.100369.

LI, Z.L.; LI, G.Y.; CHENG, L.X.; HUANG, J.H. Effect of nano-TiO2 addition on microstructural evolution of small solder joints. J Mater Sci: Mater Electron 27, 6076–6087 (2016). https://doi.org/10.1007/s10854-016-4533-2.

LUO, S.; ZHANG, P.; GAO, D. Preparation and Properties of Antimicrobial Poly(butylene adipate-co-terephthalate)/TiO2 Nanocomposites Films, Journal of Macromolecular Science, (2020). Part B, 59:4, 248-261, DOI: 10.1080/00222348.2020.1712045.

MESGARI, M.; AALAMI, A.H.; SAHEBKAR, A. Antimicrobial activities of chitosan/titanium dioxide composites as a biological nanolayer for food preservation: A review. Int J Biol Macromol. 2021 Apr 15;176:530-539. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2021.02.099.

MIHINDUKULASURIYA, S.D.F.; LIM, L.-T. Nanotechnology development in food packaging: A review, Trends in Food Science & Technology, Volume 40, Issue 2, 2014, Pages 149-167, ISSN 0924-2244, https://doi.org/10.1016/j.tifs.2014.09.009.

MOHR, L.C.; CAPELEZZO, T.; RIPPEL, R. Z.; TERNUS, F.; DALCANTON, M. A.; FIORI, J. M.; MELLO, M. Efeito antimicrobiano de nanopartículas de ZnO E TiO2 frente as bactérias S. aureus e E. coli. Revista do Congresso Sul Brasileiro de Engenharia de Alimentos, v. 3, n. 1, 15 dez. 2017a.. Chapecó, 2017. https://doi.org/10.5965/24473650312017011.

MONDAL, D.; BHOWMICK, B.; MOLLICK, M.; MAITY, D.; RANJAN SAHA, N.; RANGARAJAN, V.; RANA, D.; SEN, R.; CHATTOPADHYAY, D. Antimicrobial activity and biodegradation behavior of poly(butylene adipate-co-terephthalate)/clay nanocomposites. J. Appl. Polym. Sci. (2014). 131, 40079, doi: 10.1002/app.40079.

MUTHUSAMY, S.; CHARLES, J. Metal–organic framework of nanostructured polypyrrole incorporated with TiO2 nanoparticles for supercapacitor electrode. J Mater Sci: Mater Electron 32, 7349–7365 (2021). https://doi.org/10.1007/s10854-021-05445-0.

PALSIKOWSKI, P.A.; KUCHNIER, C.N.; PINHEIRO, I.F.; MORALES, A.R. Biodegradation in Soil of PLA/PBAT Blends Compatibilized with Chain Extender. J Polym Environ 26, 330–341 (2018). https://doi.org/10.1007/s10924-017-0951-3. Acesso em: 29 jul. 2022.

PAVANI, N. M.; MACENA, D.A.; TAMASHIRO, J.R.; SILVA, L.H.P.; ALMEIDA, M.P.B.; KINOSHITA, A.M.O. Nanopartículas De Dióxido De Titânio E Óxido De Zinco: Síntese, Caracterização E Ação Fotocatalítica Em Efluentes Industriais. Colloquium Exactarum. ISSN: 2178-8332, [S. l.], v. 14, n. 1, p. 185–192, 2023. Disponível em: https://revistas.unoeste.br/index.php/ce/article/view/4523.

PENG, B.; ZHANG, X.; SUN, Y.; LIU, Y.; CHEN, J.; SHEN, Z.; ZHOU, X.; ZHANG, Y. Biodegradation and Carbon Resource Recovery of Poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) by Mealworms: Removal Efficiency, Depolymerization Pattern, and Microplastic Residue. ACS Sustainable Chemistry and Engineering, v. 11, n. 5, p. 1774–1784, 6 fev. 2023. DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c05904

QIU, S.; XIA, Y.; SUN, J.; WANG, S.; XING, Q. Poly (butylene adipate-co-terephthalate) / Sodium alginate blends have superior characteristics and can be used to fabricate vascular stents. Materials Research Express. (2022). 9. 10.1088/2053-1591/ac6a4c.

RIAHI, Z.; PRIYADARSHI, R.; RHIM, J.; BAGHERI, R. Gelatin-based functional films integrated with grapefruit seed extract and TiO2 for active food packaging applications, Food Hydrocolloids, Volume 112, 2021, 106314, ISSN 0268-005X, https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2020.106314.

SALMORIA, G. V.; AHRENS, C. H.; VILLAMIZAR, F. A. Y.; SABINO NETTO, A. DA C. Influência do desempenho térmico de moldes fabricados com compósito epóxi/alumínio nas propriedades de pp moldado por injeção. Polímeros, (2008). 18(3), 262–269. https://doi.org/10.1590/S0104-14282008000300013. Acesso em: 23 set. 2020.

SANG, L.; ZHAO, Y.,; BURDA, C. TiO2 nanoparticles as functional building blocks. Chemical reviews, (2014). 114(19), 9283-9318. DOI: 10.1021/cr400629p.

SIRIPATRAWAN, U.; KAEWKLIN, P. Fabrication and characterization of chitosan-titanium dioxide nanocomposite film as ethylene scavenging and antimicrobial active food packaging. Food Hydrocolloids, (2018). 84, 125-134. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2018.04.049.

SUWARNKAR, M. B.; DHABBE, R. S.; KADAM, A. N.; GARADKAR, K. M. Enhanced photocatalytic activity of Ag doped TiO2 nanoparticles synthesized by a microwave assisted method. Ceramics International, (2014). 40(4), 5489-5496. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.10.137.

TAVARES, L. B.; ITO, N. M.; SALVADORI, M. C.; DOS SANTOS, D. J.; ROSA, D. S. PBAT/kraft lignin blend in flexible laminated food packaging: Peeling resistance and thermal degradability. Polymer Testing, (2018). 67, 169-176. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2018.03.004.

THONGSONG, W.; KULSETTHANCHALEE, C.; THREEPOPNATKUL, P. Effect of polybutylene adipate-co-terephthalate on properties of polyethylene terephthalate thin films. Materials Today: Proceedings, (2017). 4(5), 6597-6604. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.06.173.

TSOU, C. H.; GE, F. F.; LIN, L.; YUAN, S.; DE GUZMAN, M. R.; POTIYARAJ, P. Barrier and Biodegradable Properties of Poly (butylene adipate-co-terephthalate) Reinforced with ZnO-Decorated Graphene Rendering it Antibacterial. ACS Applied Polymer Materials, (2023). 5(3), 1681-1695. https://doi.org/10.1021/acsapm.2c01507.

VENKATESAN, R.; RAJESWARI, N. TiO2 nanoparticles/poly(butylene adipate-co-terephthalate) bionanocomposite films for packaging applications. Polymers for Advanced Technologies, v. 28, n. 12, p. 1699–1706, 1 dez. 2017d. https://doi.org/10.1002/pat.3847.

XING, Q.; RUCH, D.; DUBOIS, P.; WU, L.; WANG, W. J. Biodegradable and High-Performance Poly(butylene adipate-co-terephthalate)-Lignin UV-Blocking Films. ACS Sustainable Chemistry and Engineering, v. 5, n. 11, p. 10342–10351, 6 nov. 2017a. DOI: 10.1021/acssuschemeng.7b02370.

ZEHETMEYER, G.; MEIRA, S. M. M.; SCHEIBEL, J. M.; DE OLIVEIRA, R. V. B.; BRANDELLI, A.; SOARES, R. M. D. Influence of melt processing on biodegradable nisin‐PBAT films intended for active food packaging applications. Journal of Applied Polymer Science, (2016). 133(13). https://doi.org/10.1002/app.43212.

ZHANG, W., & RHIM, J. W. Titanium dioxide (TiO2) for the manufacture of multifunctional active food packaging films. Food Packaging and Shelf Life, (2022). 31, 100806. https://doi.org/10.1016/j.fpsl.2021.100806.

ZHOU, X.; YIN, G.; HUANG, Y.; LI, Y.; XIE, D. Biodegradable Nanofibrillated Cellulose/Poly-(butylene adipate-co-terephthalate) Composite Film with Enhanced Barrier Properties for Food Packaging. Molecules, (2023). 28(6), 2689. https://doi.org/10.3390/molecules28062689.

ZIOLLI, R. L.; JARDIM, W. F. Mecanismo de fotodegradação de compostos orgânicos catalisada por TiO2. Química Nova, (1998), 21(3), 319–325. https://doi.org/10.1590/S0100-40421998000300013.

Published

2024-01-25

How to Cite

Ferreira, C. S. G., e Souza, P. da S., Rodrigues, J. G. P., da Silva, E. O., Tavares, M. I. B., & Iulianelli, G. C. V. (2024). Desenvolvimento de nanocompósitos de matriz biodegradável de PBAT incorporados com TiO2 nanoparticulado e avaliação de suas propriedades para aplicação em embalagens de alimentos. OBSERVATÓRIO DE LA ECONOMÍA LATINOAMERICANA, 22(1), 3136–3158. https://doi.org/10.55905/oelv22n1-165

Issue

Section

Articles

Most read articles by the same author(s)